Il 23 aprile Nature ha pubblicato i risultati dello studio del team di Toshiba Europe che ha trasmesso con successo messaggi quantistici su 254 km di fibra ottica sotterranea tradizionale e in condizioni ambientali quotidiane, senza ricorrere alle apparecchiature di raffreddamento criogeniche normalmente necessarie.
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Questa scoperta rappresenta un fondamentale passaggio verso una rete quantistica sicura e accessibile perché integrando la comunicazione quantistica nelle infrastrutture già esistenti si abbatterebbero i costi della comunicazione quantistica.
La tecnologia promette comunicazioni ultrasicure, cruciali in un futuro in cui i computer quantistici potrebbero essere in grado di violare la crittografia attuale.
La prossima frontiera dell’informatica: i primi esempi di messaggi quantistici
Alcuni esperti sostengono infatti che la prossima frontiera dell’informatica sarà proprio internet quantistico. Un passo importante in tale direzione è stato fatto dal team di ricercatori di Toshiba Europe, guidato da Mirko Pittalunga, che per la prima volta è riuscito a ottenere, con un normale cavo in fibra ottica lungo ben 254 chilometri, una comunicazione quantistica ‘coerente’.
Tradizionalmente, la trasmissione di informazioni quantistiche richiede condizioni estremamente controllate e necessita di strumenti come i refrigeratori criogenici, difficilmente applicabili alle infrastrutture esistenti.
Per questo, in una rete quantistica i singoli processori quantici sono, solitamente, separati solo da brevi distanze.
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Esempi di comunicazioni quantistiche erano state nel 2024, quella guidata dall’Università di Harvard, che aveva coperto una distanza di 50 km, e quella della Northwestern University di Evaston, di circa 30 km.
L’esperimento: le sfide della comunicazione quantistica
L’esperimento ha coinvolto la trasmissione di dati quantistici tra le città tedesche di Kehl e Francoforte, con un punto intermedio a Kirchfeld.
I ricercatori sono riusciti a trovare il modo di facilitare la distribuzione di informazioni sicure su lunghe distanze utilizzando fotodiodi a valanga, dispositivi optoelettronici che convertono la luce in segnali elettrici dispositivi, più economici e operanti a temperatura ambiente, senza la necessità di apparecchiature specializzate.
Questa strategia ha permesso di superare le sfide associate alla rilevazione di
singoli fotoni, elemento cruciale nella comunicazione quantistica.
Le informazioni digitali classiche, infatti, vengono comunicate in unità note come bit, che sono inviati come un singolo impulso di luce che trasporta decine di milioni di fotoni. Al contrario, le informazioni quantistiche vengono trasmesse in qubit, esponenzialmente più potenti, ma anche estremamente fragili poiché vengono inviati in un pacchetto di un singolo fotone.
L’espansione e la contrazione delle fibre ottiche causate da variazioni delle condizioni ambientali, come le fluttuazioni di temperatura, introducono errori e ne causano la perdita di coerenza, vale a dire la capacità delle onde luminose di interagire in modo prevedibile, mantenendo la sincronizzazione sia nello spazio che nel tempo.
Per questo, normalmente, richiedono temperature estremamente basse per poter essere utilizzati.
Il metodo del team di Toshiba Europe
Il metodo della distribuzione quantistica delle chiavi (Qkd), con cui ha lavorato il team di Pittaluga, si basa sul principio dell’entanglement, secondo il quale esiste una connessione tra le particelle che viaggiano nella rete, in questo caso fotoni, anche se molto distanti tra loro.
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In questo sistema, qualsiasi tentativo di intercettazione altera inevitabilmente lo stato quantistico dei fotoni, rendendo l’intrusione immediatamente rilevabile.
La comunicazione quantistica offre dunque un livello di sicurezza nella trasmissione dei dati senza precedenti e ciò è particolarmente rilevante in un’epoca in cui i computer quantistici potrebbero, in futuro, decifrare facilmente i sistemi di crittografia basati su algoritmi matematici.
I computer quantistici, infatti, eseguirebbero rapidamente calcoli che per i computer tradizionali avrebbero richiesto eoni: a dicembre del 2024 Google ha presentato Willow, il suo chip quantistico, dichiarando che avrebbe eseguito in meno di cinque minuti un calcolo di riferimento standard che richiederebbe a uno dei supercomputer odierni più veloci 10 septilioni (ovvero 10 alla 25) di anni.
Ciò sarebbe possibile perché mentre un computer tradizionale prova ogni combinazione individualmente, un computer quantistico prova tutte le combinazioni contemporaneamente.
David Awschalom, professore all’Università di Chicago, ha dichiarato in proposito che la possibilità di implementare la comunicazione quantistica su scala metropolitana potrebbe trasformare radicalmente il modo in cui proteggiamo e trasmettiamo le informazioni.
Lavori come quello del team di Pittalunga si posizionano come pietre miliari di un progresso tecnologico che potrebbe rivoluzionare settori come la sanità, la finanza e la difesa, dove la sicurezza delle comunicazioni è fondamentale.
Come si raggiunge la coerenza nei messaggi quantistici
Fabio Sciarrino, del Quantum Lab dell’Università Sapienza di Roma, ha commentato all’Ansa che raggiungere la coerenza in un messaggio quantistico, richiede un’elevata stabilità, ottenuta in questo caso attraverso un approccio congiunto tra fisica e ingegneria.
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Il risultato raggiunto dal team di Pittaluga apre a numerose prospettive. Permette di aumentare la distanza coperta dalle comunicazioni quantistiche, riduce le prestazioni minime necessarie rendendo la tecnologia più accessibile, e consente l’adozione di nuovi protocolli per le reti quantistiche.
L’integrazione della comunicazione quantistica nelle infrastrutture esistenti apre la strada alla creazione di un’Internet quantistica più accessibile e scalabile. Secondo le stime di Toshiba, il mercato della distribuzione quantistica delle chiavi potrebbe raggiungere i 20 miliardi di dollari entro il 2035.
Inoltre, altri gruppi di ricerca, come quelli dell’Università della Pennsylvania, stanno lavorando per estendere ulteriormente le distanze raggiungibili con la comunicazione quantistica, avvicinando sempre più la realtà di una rete quantistica globale.
Costi elevati e complessità: le sfide della comunicazione quantistica
Nonostante i progressi, la tecnologia quantistica presenta ancora sfide significative, tra cui i costi elevati e la complessità dell’implementazione.
I metodi di comunicazione quantistica tradizionali come la distribuzione quantistica delle chiavi o la crittografia caotica spesso sacrificano la velocità o la capacità di trasmissione a favore della sicurezza.
Una possibile risoluzione di tale problema è stata fornita dai ricercatori della Shanghai Jiao Tong University che hanno pubblicato su National Science Review uno studio in cui è stato presentato un framework di crittografia e comunicazione integrata (IEAC) basato sull’apprendimento approfondito end-to-end (E2EDL), per ottenere una solida sicurezza a prestazioni di trasmissione ad alta capacità e a lunga distanza.
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“IEAC apre la strada a reti sicure e ad alte prestazioni in grado di supportare la domanda di dati generata dall’intelligenza artificiale”, afferma Lilin Yi, coautrice dello studio e professoressa presso l’Università di Shanghai.
Prospettive future
I risultati qui riportati dimostrano la fattibilità della tecnologia di comunicazione quantistica e aprono nuove possibilità per la sicurezza delle comunicazioni.
Con ulteriori ricerche ed investimenti, l’adozione su larga scala della comunicazione quantistica potrebbe diventare una realtà, trasformando il modo in cui proteggiamo e condividiamo le informazioni nel mondo digitale.
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